再生遠心圧縮機に第二の命を与える

アンドレア・フシ、アンドレア・ベッティ、エマヌエーレ・ブルベリ 2022 年 3 月 7 日

遠心圧縮機の耐用期間中、エンドユーザーやサービス会社はコンポーネントの劣化や故障だけでなく性能の低下を経験したり、新たに要求された動作条件に合わせて機械を再評価する必要にさえ直面することがよくあります。 明らかに、可能な限り、無駄でコストと時間のかかる機械の交換を防ぐことが基本です。 したがって、古い遠心圧縮機に第二の効率的な寿命を与えるために、古い遠心圧縮機を改修/再評価することで得られる機会が増え続けていることを活用することが重要です。

過去数十年間に開発されたいくつかの革新的なテクノロジーにより、少し前までは実現不可能だった改修作業を実行できるようになりました。 新しい製造技術と機械的特性が改善された革新的な材料の開発により、今日では産業用途における以前の技術的限界を超え続けることが可能になっています。 さらに、形状取得のための最近の高度なツール (3D スキャンなど) を使用すると、他の方法では検出できない可能性のある損傷、欠陥、その他の形状の詳細を調査することができます。 最終的には、CFD、FEA、ローター動的（横方向およびねじり）解析などの最新のシミュレーション ツールの精度と信頼性が向上し、発生する可能性のある問題の原因となる物理現象をより正確に調査できるようになりました。

この文書の主な目的は、このようなイノベーションに関する知識を広め、エンドユーザー、サービス会社、および産業プロセスプラントに関わるすべての人々に、新技術が遠心圧縮機サービスの分野で生み出した無数の機会の一部を認識してもらうことです。そしてアップグレード。 Compression Service Technology – CST が過去数年間にターボ機械に対して実施したいくつかの改修/再評価活動のうち、この文書では 2 つの事例について説明し、非常に古い機械であっても効率を向上させるために異なる性質の問題をどのように解決できるかを示しています。 。

硫酸製造プラントの燃焼空気ブロワーは、電気モーターで駆動され、インレット ガイド ベーン (IGV) によって制御され、大気条件で空気を取り込み、1.4 bara の吐出圧力で送り出します。 要求される空気質量流量は約 200,000 kg/h で、シャフト出力は約 2.6 MW です。 圧縮機は、図１に示すように、入口部翼端に接続リングを有する溶接式３Ｄセミオープン羽根車（外径１６００ｍｍ）と短翼レスディフューザ、溶接羽根車からなる単段オーバーハング羽根車である。長方形断面のボリュート型。

エンドユーザーは、コンプレッサーの耐用期間中に、供給流量と効率の両方の点でコンプレッサーの性能が徐々に低下することを経験し、最終的には元の性能を回復するためにコンプレッサーを改修することにしました。 CST は、燃焼空気送風機のメンテナンスを担当するサービスプロバイダーによるこのような活動に関与しました。

3D レーザー スキャンを実行して、調査用のコンプレッサー 3D モデルを取得しました。 図 2 に示すように、インペラ スキャンによって高いクリアランスが検出されました。 インペラのブレード先端とステータシュラウドの間に、侵食によって強化された大きなギャップが観察されました。その大きさは、通常予想される 1 ～ 2 パーセントの範囲ではなく、インペラ直径の 3.5 パーセントから 8 パーセントまでブレードの長さに沿って変化することがわかりました。 さらに、インペラブレードリングと関連する静的スロットの間のギャップが非常に大きいことが判明しました。

損傷したコンプレッサーの流体力学的挙動を検証するために CFD 解析が実行され、前述の高いチップギャップクリアランスによってコンプレッサーの性能がどの程度影響を受けるかに焦点が当てられました。 図 3 に示すように、過剰なクリアランスが存在すると、最適でない流れ場が生じます。 最適な流れに悪影響を与える 2 つの主な流体力学現象が特定されました。

これらの異常は、ステージ効率と吐出流量の低下の主な原因であると考えられました。

インペラーブレードリングと固定スロットの間に大きな隙間が見られることから、元のコンプレッサー構成にラビリンスシールが存在する可能性があると推測されました。 このシールは、コンプレッサーの動作中に浸食またはその他の出来事によって緩む可能性があります。 残念ながら、入手可能な文書や図面からは、そのような仮定を裏付ける情報は見つかりませんでした。

良好なコンプレッサーのパフォーマンスを回復し、同時に設置に時間がかかりすぎて、その結果として設備のダウンタイムが長くなるのを避けるために、詳細な理論的 CFD 調査を活用して、次の 2 段階のソリューションを順番に実装しました。

CFD 調査キャンペーンは、その「2 段階」シーケンスを段階的に実施して実施されました。 CFD 調査では、回転コンポーネントと静止コンポーネントの間のギャップを減らすことの重要性が強調されました。 インペラーブレードの先端とステーターシュラウドの間のクリアランスが性能回復にとって最も重要であることが判明しました。

最終的に、インペラの入口リング上の静的スロットへのラビリンス シールの存在と、測定値に対して約 50% のブレード先端クリアランスの減少を同時に調査して、最終的なインペラの構成を見つけました。 その結果、改良により圧縮機効率＋１％、吐出流量＋６％の向上が得られ、燃焼用送風機の性能を十分に回復させることができました。

上記の調査で定義された是正措置は現場で正常に実施され、お客様は CFD 分析の予測と一致するパフォーマンスの回復を経験しました。

6 段水平分割空気遠心圧縮機の定期オーバーホール中に、サービス会社は最後のインペラに強い浸食損傷の存在を発見し、この問題の解決策を見つけるよう CST に依頼しました。 元のクローズド インペラは古い製造技術によって製造されており、リベットを使用してブレードをディスクとシュラウドに固定していました (図 4 を参照)。

コンプレッサーの性能を回復するために、インペラを同じ子午線チャネルとブレードのキャンバープロファイルを持つ新しいものと交換することが決定されました。 元の構造図と材料仕様が入手できなかったため、形状測定の 3D スキャンと化学分析が実行されました。

ASTM A705 Gr.630 (17-4 PH) が元の炭素鋼の代わりに使用され、これにより腐食と浸食に対する耐性が向上し、経験的な浸食損傷の発生が回避されました。 さらに、新しいインペラには一体型 EDM 製造技術が採用され、より優れたブレード形状が得られ、次のような利点があります。

新しい製造図面と仕様書が作成され、バランシングや過速度テストの指示も含まれました。 図 5 は、EDM 製造中の新しいインペラを示しています。

新しいインペラは新しいローターに取り付けられ、既存のコンプレッサーに取り付けられ、お客様は完全に満足されました。 実際、浸食損傷の修復に加えて、改修されたステージの効率の向上（約 +2%）により、コンプレッサーの高性能化が達成されました。

上記の例は、古いユニットが何十年も稼働し、何度か繰り返し故障した場合でも、一度改良すれば効率的に動作し続け、パフォーマンスが向上することを示しています。 改修作業は、機械の経年劣化、侵食、摩耗に関連する問題を解決し、元の性能を回復または改善するために実行できます。 さらに、遠心圧縮機は、新しいプラントの運転条件に合わせて改良および再評価することができます。

「修理か交換か」のトレードオフを扱うサービス会社とエンドユーザーは、過去数十年間に開発されたいくつかの革新的な技術のおかげで、今日ではターボ機械で無数の改修の機会が利用できるようになっていることに注意する必要があります。 新しい高度な製造技術、革新的な材料、形状取得のための新しい機器の利用可能性、そして最後に重要なことですが、流体力学および機械解析のための最新ツールの優れた精度は、古い遠心圧縮機により効率的な第二の人生を与えるのに大きく役立ちます。